Engineer engineercatalogues_wiki https://engineercatalogues.shoutwiki.com/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B3%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B0 MediaWiki 1.35.13 first-letter Медиа Служебная Обсуждение Участник Обсуждение участника Engineer Обсуждение Engineer Файл Обсуждение файла MediaWiki Обсуждение MediaWiki Шаблон Обсуждение шаблона Справка Обсуждение справки Категория Обсуждение категории Модуль Обсуждение модуля Гаджет Обсуждение гаджета Определение гаджета Обсуждение определения гаджета 0 1 1 2020-05-07T14:03:24Z Mikhail.grankin 30625529 Новая страница: «== Газовые пружины ==» wikitext text/x-wiki == Газовые пружины == 4ee284acf330a65c9757464c77bf904a8fb88e8b 7 1 2020-05-07T14:18:34Z Mikhail.grankin 30625529 /* Газовые пружины */ wikitext text/x-wiki [[Газовые пружины|== Газовые пружины ==]] 41637f8488e7c5efb243ee8490ecee2a8ae36c9b 8 7 2020-05-07T14:19:16Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki [[Газовые пружины|Газовые пружины]] b341eb0b3b37ef895349e411a2df3a094cc0cf05 17 8 2020-05-09T19:33:33Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = [[Глава 6 Газовые пружины|Газовые пружины]] = 7bac1461e2b3cd6fddf914ad654e024c9520df0e 18 17 2020-05-09T19:33:59Z Mikhail.grankin 30625529 /* Газовые пружины */ wikitext text/x-wiki = [[Газовые пружины|Газовые пружины]] = 7923a55064c8a4ce53b628b9653e49ba63f7c30c 0 2 2 2020-05-07T14:08:26Z Mikhail.grankin 30625529 Новая страница: «== Газовые пружины == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство,…» wikitext text/x-wiki == Газовые пружины == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др. Самое удачное слово для характеристики применяемости газовых пружин - "везде". На рынке стран СНГ можно встретить продукцию как отечественных, так и зарубежных фирм. Перечислим их в алфавитном порядке: Ace (США), Bansbach (Германия), SKF (Швеция)/Stabilus (Германия), Suspa (Германия). Наши производители нацелены, прежде всего, на удовлетворение потребностей автомобильной промышленности. Их названия: ОАО "Скопинский автоагрегатный завод" (Россия) и "Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь) сами говорят о направленности на этот сегмент рынка. Материалы и каталоги этих фирм использованы при написании данной статьи. Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение хода. Газовая пружина (рис.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра. Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: &nbsp;<img style="width: 177px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_01.gif">, где <span style="font-style: italic;">F, Н</span> - внешняя сила; <span style="font-style: italic;">p, МПа</span> - давление внутри пружины; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">R</sub><span style="font-style: italic;">, мм²</span>&nbsp; - площадь поршня со стороны бесштоковой полости; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span><sup style="font-style: italic;">2</sup>&nbsp; - площадь штока. Следовательно, <img style="width: 64px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_02.gif">. В выдвинутом положении (ход штока s₁) давление газа p₁ и усилие на пружине <img style="width: 69px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_03.gif">. При полностью задвинутом штоке (ход штока <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub>) давление газа p₂ и усилие на пружине&nbsp;&nbsp;<img style="width: 73px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_04.gif">. На рис. 2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением&nbsp; , где <span style="font-style: italic;">V</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда&nbsp; <img style="width: 108px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_06.gif">,&nbsp;<img style="width: 87px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_07.gif"> , а&nbsp;<img style="width: 105px; height: 23px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_08.gif"> . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub> штока или его диаметр <span style="font-style: italic;">d, мм</span>; площадь A_R цилиндра или его внутренний диаметр <span style="font-style: italic;">D, мм</span>. На рис. 2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (<span style="font-style: italic;">n=1</span>).<br></div><img style="width: 512px; height: 447px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02a.jpg"><br>а) принцип работы газовой пружины<br><img style="width: 513px; height: 351px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02b.jpg"><br>б) влияние конструктивных параметров<br><h4>Рис. 2 Диаграмма усилий газовой пружины</h4><div style="text-align: justify;">Важным параметром пружины является коэффициент усилия <span style="font-style: italic;">X</span>, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением&nbsp;&nbsp;<img style="width: 85px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_09.gif"> или&nbsp;<img style="width: 135px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_10.gif">. Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле&nbsp;<img style="width: 141px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_11.gif"> или&nbsp;<img style="width: 133px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_12.gif">. Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне&nbsp;<img style="width: 93px; height: 21px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_14.gif"> и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br></div><div style="text-align: justify;">Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка <span style="font-style: italic;">B</span> соответствует полностью сжатому газу, точка <span style="font-style: italic;">A</span> - полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки <span style="font-style: italic;">B</span>, усилие выталкивания определяется кривой <span style="font-style: italic;">AB</span> и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (зеленая линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения <span style="font-style: italic;">FR</span>. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 3 нанесены синим и красным цветом. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br></div><div style="text-align: justify;">При динамических замерах (рис. 3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br><img style="width: 463px; height: 276px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03a.jpg"><br></div>а) динамическое измерение силы<br><img style="width: 412px; height: 284px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03b.jpg"><br>б) статическое измерение силы<br><h4><span style="font-size: 12pt; font-family: &quot;Times New Roman&quot;;">Рис. <span style=""><span style="">3</span></span> Методы измерения усилий в газовой пружине</span></h4><div style="text-align: justify;">Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре <span style="font-style: italic;">T₀=20°C</span>. На рис. 4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br><img style="width: 312px; height: 164px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04a.jpg"><br>а) диаграмма усилий при различной температуре<br><img style="width: 496px; height: 438px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04b.jpg"><br>б) изменение усилия при изменении температуры<br><h4>Рис. 4 Влияние температуры на усилия в пружине</h4>Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность - отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br>Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая "простота" имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br><img style="width: 448px; height: 506px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_05.jpg"><br><h4>Рис. 5 Поршень с лабиринтными каналами</h4>При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются.&nbsp; При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6): при выталкивании (рис. 6, а); при вдавливании (рис. 6, б); в обоих направлениях (рис. 6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br><img style="width: 459px; height: 236px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06a.jpg"><br>а) демпфирование при выталкивании<br><img style="width: 454px; height: 179px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06b.jpg"><br>б) демпфирование при вдавливании<br><img style="width: 453px; height: 167px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06c.jpg"><br>в) демпфирование в обоих направлениях<br><h4>Рис. 6 Демпфирование в различных направлениях</h4>Скорость движения штока изменяется в диапазоне от <span style="font-style: italic;">0,01</span> до <span style="font-style: italic;">0,8 м/с</span>. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. <br>Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения.<br>На рис. 7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в уплотнение.<br>Конструкция на рис. 7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br>Газовая пружина на рис. 7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br>Все конструкции&nbsp; могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию.<br>Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 209px; height: 575px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07a.jpg"></td><td><img style="width: 236px; height: 592px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07b.jpg"></td><td><img style="width: 188px; height: 580px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07c.jpg"></td></tr><tr><td>а) одинарное уплотнение</td><td>б) двойное уплотнение</td><td>в) уплотнение с масляной полостью</td></tr><tr><td colspan="3" rowspan="1"><h4>Рис. 7 Конструкция уплотнений газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус. На рис. 8, а показаны различные исполнения конца штока и корпуса, а на рис. 8, б - типы соединительных элементов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 250px; height: 170px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08a.jpg"></td><td><img style="width: 421px; height: 224px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08b.jpg"></td></tr><tr><td>а) исполнения корпуса и штока</td><td>б) соединительные элементы</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 8 Элементы крепления газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 9, а) и динамическое (рис. 9, б)&nbsp; демпфирование.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img src="gspr_image/gspr_img_09a.jpg" alt="" style="width: 380px; height: 211px;"></td><td><img style="width: 380px; height: 279px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_09b.jpg"></td></tr><tr><td>а) гидравлическое демпфирование</td><td>б) динамическое демпфирование</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 9 Демпфирование в конце хода газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 9, а участок <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub> соответствует пневматическому демпфированию, а <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br>Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br>Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины.&nbsp; Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 10).<br>При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br>Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br>Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 242px; height: 709px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10a.jpg"></td><td><img style="width: 240px; height: 754px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10b.jpg"></td></tr><tr><td>а) увеличивающееся усилие</td><td>б) уменьшающееся усилие</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 10 Газовые пружины с непропорциональной характеристикой</h4></td></tr></tbody></table>Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br>Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 11, а) и внутренним (рис. 11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 182px; height: 488px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11a.jpg"><br></td><td><img style="width: 253px; height: 516px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) внешняя фиксация</td><td>б) внутренняя фиксация</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 11 Запорные элементы газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией&nbsp; в конечном положении (рис. 11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке - кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком - все операции проводятся одной рукой.<br>Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой.<br>Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br><img style="width: 490px; height: 448px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_12.jpg"><br><h4>Рис. 12 Газовая пружина с блокировкой</h4>В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br>Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br>Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью - маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень. <br>Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 13, а и рис. 14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 13, б и рис. 14, б).<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 181px; height: 600px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13a.jpg"><br></td><td><img style="width: 171px; height: 598px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 13 Жесткая фиксация, независящая от ориентации пружины</h4></td></tr></tbody></table>При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае - в направлении выталкивания.<br>Максимально допустимая сила, действующая&nbsp; в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br>В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 13, а) это отношение приблизительно <span style="font-style: italic;">4,5</span>; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 13, б) - приблизительно <span style="font-style: italic;">5,5</span>.<br>Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br>Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 7, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 142px; height: 521px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14a.jpg"><br></td><td><img style="width: 151px; height: 510px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 14 Жесткая фиксация, зависящая от положения пружины</h4></td></tr></tbody></table>Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины - блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 15). Их назначение - демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br><img style="width: 513px; height: 540px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_15.jpg"><br><h4>Рис. 15 Блокируемые газовые пружины без выталкивающей силы</h4>Однако, для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка <span style="font-style: italic;">100 Н</span>.<br><img style="width: 509px; height: 539px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_16.jpg"><br><h4>Рис. 16 Компенсация теплового расширения жидкости</h4>В таблице 1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br><h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br>Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины <span style="font-style: italic;">B, мм</span>; длина пружины в сжатом состоянии <span style="font-style: italic;">E, мм</span>; масса поддерживаемого щитка <span style="font-style: italic;">m, кг</span>; плечо силы тяжести от оси вращения <span style="font-style: italic;">L_G, мм</span>; плечо силы газовой пружины от оси вращения <span style="font-style: italic;">L</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span>; число газовых пружин <span style="font-style: italic;">n</span>; коэффициент безопасности <span style="font-style: italic;">k</span> (обычно <span style="font-style: italic;">1,2…1,3</span>). Величина силы выталкивания пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н</span> определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле&nbsp; <img style="width: 100px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_15.gif">. Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины <span style="font-style: italic;">s, мм</span>&nbsp; <img style="width: 64px; height: 19px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_16.gif">.<br><br><img style="width: 204px; height: 245px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_17.jpg"><br><h4>Рис. 17 Расчет усилия пружины</h4>Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это <span style="font-style: italic;">0°C …+80°C</span>, с кратковременным перегревом свыше <span style="font-style: italic;">110°C</span>.<br>При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники.<br>Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, отдельные производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br>Невозможно не обратить внимания на разнообразие конструктивных исполнений такого внешне простого устройства - цилиндра, наполненного газом, в который вставлен шток с поршнем. На мой взгляд, газовые пружины ярко иллюстрируют "узкоспециализированную" эволюцию продукции машиностроения. Модельный ряд удовлетворяет буквально любые запросы заказчика. А ведь в прошлом веке Генри Форд мог позволить себе сказать: <span style="font-style: italic;">"Потребитель имеет право выбирать автомобиль любого цвета, при условии, что он черный"</span>. Несомненно, времена изменились…<br></div></td> <td style="vertical-align: top; text-align: center;"><a href="http://www.rostselmash.ru/"><img style="border: 0px solid ; width: 200px; height: 33px;" alt="Ростсельмаш" src="../../html/image/firms_logo/rsm.jpg"></a><br><br><a href="../../html/author.html"><img style="border: 0px solid ; width: 100px; height: 100px;" alt="" src="../../html/image/addimage.gif"></a><br><br><br><script type="text/javascript"><!-- google_ad_client = "pub-3088528900209531"; google_ad_width = 120; google_ad_height = 240; google_ad_format = "120x240_as"; google_ad_type = "text_image"; google_ad_channel = ""; //--> </script><script type="text/javascript" src="http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js"> </script></td></tr> <tr> <td style="width: 810px;"><p>Все объекты авторского права являются собственностью их владельцев. При подготовке сайта использованы материалы, находящиеся в свободном доступе. Названия фирм-производителей расположены в алфавитном порядке.</p> <p><a href="../../html/author.html">Размещение материалов и рекламы на сайте</a></p><p>Copyright © 2007 <a href="../../html/author.html">М. Гранкин</a></p> </td> <td><a href="mailto:grankin@mail.tu">Не работает ссылка</a></td> </tr> </tbody></table></body></html> 87b332bb6c49299c6ab0ca520d46613234079010 3 2 2020-05-07T14:10:37Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"> <html style="direction: ltr;" lang="ru"><head> <meta content="text/html; charset=windows-1251" http-equiv="content-type"><title>Газовые пружины</title> <meta content="Михаил Гранкин" name="author"></head> <body style="direction: ltr; background-image: url(../../html/image/mill.jpg);"><table style="width: 800px; text-align: left; margin-left: auto; margin-right: auto;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"> <tbody><tr><td><table style="text-align: left; width: 800px; height: 16px;" border="2" cellpadding="0" cellspacing="0"> <tbody><tr style="font-family: Arial;"> <td colspan="1" rowspan="2" style="width: 20%; height: 24px;"><span style="font-family: Arial;"><img src="../../html/image/konstr-logo.jpg" alt="" style="width: 204px; height: 106px;"><br> </span></td><td style="text-align: center; height: 26px; font-family: Arial; background-color: rgb(204, 204, 204);"><a href="../../index.html">Каталоги</a></td> <td style="text-align: center; height: 26px; font-family: Arial; background-color: rgb(204, 204, 204); width: 16%;"><a href="../../html/firms.html">Производители</a></td> <td style="text-align: center; height: 24px; font-family: Arial; width: 16%; background-color: rgb(204, 204, 204);"><a href="../index_articles.html">Статьи</a></td> <td style="text-align: center; height: 24px; background-color: rgb(204, 204, 204); width: 16%;"><a href="mailto:grankin@mail.ru">Контакты</a></td><td style="background-color: rgb(204, 204, 204); text-align: center;"><a href="../../html/author.html"><span style="text-decoration: underline;">О проекте</span></a></td> </tr> <tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center; vertical-align: middle; height: 82px; background-color: rgb(204, 204, 204);"><img style="border: 0px solid ; width: 590px; height: 82px;" alt="" src="../../html/image/machine_logo.jpg"><a href="http://www.rostselmash.ru/"><br> </a></td></tr></tbody></table></td><td style="text-align: center;"><a href="http://www.rostselmash.ru"><br></a></td></tr><tr><td><table style="text-align: left; width: 800px; height: 15px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"> <tbody><tr><td style="width: 300px;"><br> </td><td style="height: 5px;"><br> </td> </tr></tbody></table></td><td style="height: 5px;"></td></tr><tr><td><h1>Газовые пружины</h1><img style="width: 300px; height: 318px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_00.jpg"><br><div style="text-align: justify;">Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др. Самое удачное слово для характеристики применяемости газовых пружин - "везде".<br></div><div style="text-align: justify;">На рынке стран СНГ можно встретить продукцию как отечественных, так и зарубежных фирм. Перечислим их в алфавитном порядке: Ace (США), Bansbach (Германия), SKF (Швеция)/Stabilus (Германия), Suspa (Германия). Наши производители нацелены, прежде всего, на удовлетворение потребностей автомобильной промышленности. Их названия: ОАО "Скопинский автоагрегатный завод" (Россия) и "Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь) сами говорят о направленности на этот сегмент рынка. Материалы и каталоги этих фирм использованы при написании данной статьи.<br></div><div style="text-align: justify;">Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и&nbsp; обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях,&nbsp; так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение хода.<br></div><div style="text-align: justify;"><div style="text-align: justify;">Газовая пружина (рис.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (<span style="font-style: italic;">N</span><sub style="font-style: italic;">2</sub>); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br></div><br></div><img style="width: 252px; height: 331px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_01.jpg"><br><h4>Рис. 1 Конструкция газовой пружины</h4><div style="text-align: justify;">Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:&nbsp;<img style="width: 177px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_01.gif">, где <span style="font-style: italic;">F, Н</span> - внешняя сила; <span style="font-style: italic;">p, МПа</span> - давление внутри пружины; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">R</sub><span style="font-style: italic;">, мм²</span>&nbsp; - площадь поршня со стороны бесштоковой полости; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span><sup style="font-style: italic;">2</sup>&nbsp; - площадь штока. Следовательно, <img style="width: 64px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_02.gif">. В выдвинутом положении (ход штока s₁) давление газа p₁ и усилие на пружине <img style="width: 69px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_03.gif">. При полностью задвинутом штоке (ход штока <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub>) давление газа p₂ и усилие на пружине&nbsp;&nbsp;<img style="width: 73px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_04.gif">. На рис. 2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением&nbsp; , где <span style="font-style: italic;">V</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда&nbsp; <img style="width: 108px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_06.gif">,&nbsp;<img style="width: 87px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_07.gif"> , а&nbsp;<img style="width: 105px; height: 23px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_08.gif"> . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub> штока или его диаметр <span style="font-style: italic;">d, мм</span>; площадь A_R цилиндра или его внутренний диаметр <span style="font-style: italic;">D, мм</span>. На рис. 2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (<span style="font-style: italic;">n=1</span>).<br></div><img style="width: 512px; height: 447px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02a.jpg"><br>а) принцип работы газовой пружины<br><img style="width: 513px; height: 351px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02b.jpg"><br>б) влияние конструктивных параметров<br><h4>Рис. 2 Диаграмма усилий газовой пружины</h4><div style="text-align: justify;">Важным параметром пружины является коэффициент усилия <span style="font-style: italic;">X</span>, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением&nbsp;&nbsp;<img style="width: 85px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_09.gif"> или&nbsp;<img style="width: 135px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_10.gif">. Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле&nbsp;<img style="width: 141px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_11.gif"> или&nbsp;<img style="width: 133px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_12.gif">. Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне&nbsp;<img style="width: 93px; height: 21px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_14.gif"> и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br></div><div style="text-align: justify;">Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка <span style="font-style: italic;">B</span> соответствует полностью сжатому газу, точка <span style="font-style: italic;">A</span> - полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки <span style="font-style: italic;">B</span>, усилие выталкивания определяется кривой <span style="font-style: italic;">AB</span> и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (зеленая линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения <span style="font-style: italic;">FR</span>. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 3 нанесены синим и красным цветом. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br></div><div style="text-align: justify;">При динамических замерах (рис. 3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br><img style="width: 463px; height: 276px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03a.jpg"><br></div>а) динамическое измерение силы<br><img style="width: 412px; height: 284px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03b.jpg"><br>б) статическое измерение силы<br><h4><span style="font-size: 12pt; font-family: &quot;Times New Roman&quot;;">Рис. <span style=""><span style="">3</span></span> Методы измерения усилий в газовой пружине</span></h4><div style="text-align: justify;">Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре <span style="font-style: italic;">T₀=20°C</span>. На рис. 4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br><img style="width: 312px; height: 164px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04a.jpg"><br>а) диаграмма усилий при различной температуре<br><img style="width: 496px; height: 438px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04b.jpg"><br>б) изменение усилия при изменении температуры<br><h4>Рис. 4 Влияние температуры на усилия в пружине</h4>Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность - отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br>Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая "простота" имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br><img style="width: 448px; height: 506px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_05.jpg"><br><h4>Рис. 5 Поршень с лабиринтными каналами</h4>При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются.&nbsp; При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6): при выталкивании (рис. 6, а); при вдавливании (рис. 6, б); в обоих направлениях (рис. 6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br><img style="width: 459px; height: 236px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06a.jpg"><br>а) демпфирование при выталкивании<br><img style="width: 454px; height: 179px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06b.jpg"><br>б) демпфирование при вдавливании<br><img style="width: 453px; height: 167px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06c.jpg"><br>в) демпфирование в обоих направлениях<br><h4>Рис. 6 Демпфирование в различных направлениях</h4>Скорость движения штока изменяется в диапазоне от <span style="font-style: italic;">0,01</span> до <span style="font-style: italic;">0,8 м/с</span>. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. <br>Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения.<br>На рис. 7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в уплотнение.<br>Конструкция на рис. 7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br>Газовая пружина на рис. 7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br>Все конструкции&nbsp; могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию.<br>Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 209px; height: 575px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07a.jpg"></td><td><img style="width: 236px; height: 592px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07b.jpg"></td><td><img style="width: 188px; height: 580px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07c.jpg"></td></tr><tr><td>а) одинарное уплотнение</td><td>б) двойное уплотнение</td><td>в) уплотнение с масляной полостью</td></tr><tr><td colspan="3" rowspan="1"><h4>Рис. 7 Конструкция уплотнений газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус. На рис. 8, а показаны различные исполнения конца штока и корпуса, а на рис. 8, б - типы соединительных элементов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 250px; height: 170px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08a.jpg"></td><td><img style="width: 421px; height: 224px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08b.jpg"></td></tr><tr><td>а) исполнения корпуса и штока</td><td>б) соединительные элементы</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 8 Элементы крепления газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 9, а) и динамическое (рис. 9, б)&nbsp; демпфирование.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img src="gspr_image/gspr_img_09a.jpg" alt="" style="width: 380px; height: 211px;"></td><td><img style="width: 380px; height: 279px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_09b.jpg"></td></tr><tr><td>а) гидравлическое демпфирование</td><td>б) динамическое демпфирование</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 9 Демпфирование в конце хода газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 9, а участок <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub> соответствует пневматическому демпфированию, а <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br>Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br>Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины.&nbsp; Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 10).<br>При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br>Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br>Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 242px; height: 709px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10a.jpg"></td><td><img style="width: 240px; height: 754px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10b.jpg"></td></tr><tr><td>а) увеличивающееся усилие</td><td>б) уменьшающееся усилие</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 10 Газовые пружины с непропорциональной характеристикой</h4></td></tr></tbody></table>Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br>Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 11, а) и внутренним (рис. 11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 182px; height: 488px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11a.jpg"><br></td><td><img style="width: 253px; height: 516px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) внешняя фиксация</td><td>б) внутренняя фиксация</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 11 Запорные элементы газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией&nbsp; в конечном положении (рис. 11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке - кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком - все операции проводятся одной рукой.<br>Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой.<br>Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br><img style="width: 490px; height: 448px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_12.jpg"><br><h4>Рис. 12 Газовая пружина с блокировкой</h4>В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br>Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br>Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью - маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень. <br>Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 13, а и рис. 14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 13, б и рис. 14, б).<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 181px; height: 600px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13a.jpg"><br></td><td><img style="width: 171px; height: 598px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 13 Жесткая фиксация, независящая от ориентации пружины</h4></td></tr></tbody></table>При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае - в направлении выталкивания.<br>Максимально допустимая сила, действующая&nbsp; в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br>В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 13, а) это отношение приблизительно <span style="font-style: italic;">4,5</span>; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 13, б) - приблизительно <span style="font-style: italic;">5,5</span>.<br>Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br>Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 7, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 142px; height: 521px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14a.jpg"><br></td><td><img style="width: 151px; height: 510px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 14 Жесткая фиксация, зависящая от положения пружины</h4></td></tr></tbody></table>Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины - блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 15). Их назначение - демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br><img style="width: 513px; height: 540px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_15.jpg"><br><h4>Рис. 15 Блокируемые газовые пружины без выталкивающей силы</h4>Однако, для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка <span style="font-style: italic;">100 Н</span>.<br><img style="width: 509px; height: 539px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_16.jpg"><br><h4>Рис. 16 Компенсация теплового расширения жидкости</h4>В таблице 1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br><h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br>Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины <span style="font-style: italic;">B, мм</span>; длина пружины в сжатом состоянии <span style="font-style: italic;">E, мм</span>; масса поддерживаемого щитка <span style="font-style: italic;">m, кг</span>; плечо силы тяжести от оси вращения <span style="font-style: italic;">L_G, мм</span>; плечо силы газовой пружины от оси вращения <span style="font-style: italic;">L</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span>; число газовых пружин <span style="font-style: italic;">n</span>; коэффициент безопасности <span style="font-style: italic;">k</span> (обычно <span style="font-style: italic;">1,2…1,3</span>). Величина силы выталкивания пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н</span> определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле&nbsp; <img style="width: 100px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_15.gif">. Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины <span style="font-style: italic;">s, мм</span>&nbsp; <img style="width: 64px; height: 19px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_16.gif">.<br><br><img style="width: 204px; height: 245px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_17.jpg"><br><h4>Рис. 17 Расчет усилия пружины</h4>Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это <span style="font-style: italic;">0°C …+80°C</span>, с кратковременным перегревом свыше <span style="font-style: italic;">110°C</span>.<br>При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники.<br>Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, отдельные производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br>Невозможно не обратить внимания на разнообразие конструктивных исполнений такого внешне простого устройства - цилиндра, наполненного газом, в который вставлен шток с поршнем. На мой взгляд, газовые пружины ярко иллюстрируют "узкоспециализированную" эволюцию продукции машиностроения. Модельный ряд удовлетворяет буквально любые запросы заказчика. А ведь в прошлом веке Генри Форд мог позволить себе сказать: <span style="font-style: italic;">"Потребитель имеет право выбирать автомобиль любого цвета, при условии, что он черный"</span>. Несомненно, времена изменились…<br></div></td> <td style="vertical-align: top; text-align: center;"><a href="http://www.rostselmash.ru/"><img style="border: 0px solid ; width: 200px; height: 33px;" alt="Ростсельмаш" src="../../html/image/firms_logo/rsm.jpg"></a><br><br><a href="../../html/author.html"><img style="border: 0px solid ; width: 100px; height: 100px;" alt="" src="../../html/image/addimage.gif"></a><br><br><br><script type="text/javascript"><!-- google_ad_client = "pub-3088528900209531"; google_ad_width = 120; google_ad_height = 240; google_ad_format = "120x240_as"; google_ad_type = "text_image"; google_ad_channel = ""; //--> </script><script type="text/javascript" src="http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js"> </script></td></tr> <tr> <td style="width: 810px;"><p>Все объекты авторского права являются собственностью их владельцев. При подготовке сайта использованы материалы, находящиеся в свободном доступе. Названия фирм-производителей расположены в алфавитном порядке.</p> <p><a href="../../html/author.html">Размещение материалов и рекламы на сайте</a></p><p>Copyright © 2007 <a href="../../html/author.html">М. Гранкин</a></p> </td> <td><a href="mailto:grankin@mail.tu">Не работает ссылка</a></td> </tr> </tbody></table></body></html> 90d3f3f4bf3d0b705ad9ace84939003367fec49b 6 3 2020-05-07T14:16:48Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki == Газовые пружины == [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] <img style="width: 300px; height: 318px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_00.jpg"><br><div style="text-align: justify;">Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др. Самое удачное слово для характеристики применяемости газовых пружин - "везде".<br></div><div style="text-align: justify;">На рынке стран СНГ можно встретить продукцию как отечественных, так и зарубежных фирм. Перечислим их в алфавитном порядке: Ace (США), Bansbach (Германия), SKF (Швеция)/Stabilus (Германия), Suspa (Германия). Наши производители нацелены, прежде всего, на удовлетворение потребностей автомобильной промышленности. Их названия: ОАО "Скопинский автоагрегатный завод" (Россия) и "Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь) сами говорят о направленности на этот сегмент рынка. Материалы и каталоги этих фирм использованы при написании данной статьи.<br></div><div style="text-align: justify;">Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и&nbsp; обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях,&nbsp; так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение хода.<br></div><div style="text-align: justify;"><div style="text-align: justify;">Газовая пружина (рис.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (<span style="font-style: italic;">N</span><sub style="font-style: italic;">2</sub>); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br></div><br></div><img style="width: 252px; height: 331px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_01.jpg"><br><h4>Рис. 1 Конструкция газовой пружины</h4><div style="text-align: justify;">Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:&nbsp;<img style="width: 177px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_01.gif">, где <span style="font-style: italic;">F, Н</span> - внешняя сила; <span style="font-style: italic;">p, МПа</span> - давление внутри пружины; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">R</sub><span style="font-style: italic;">, мм²</span>&nbsp; - площадь поршня со стороны бесштоковой полости; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span><sup style="font-style: italic;">2</sup>&nbsp; - площадь штока. Следовательно, <img style="width: 64px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_02.gif">. В выдвинутом положении (ход штока s₁) давление газа p₁ и усилие на пружине <img style="width: 69px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_03.gif">. При полностью задвинутом штоке (ход штока <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub>) давление газа p₂ и усилие на пружине&nbsp;&nbsp;<img style="width: 73px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_04.gif">. На рис. 2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением&nbsp; , где <span style="font-style: italic;">V</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда&nbsp; <img style="width: 108px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_06.gif">,&nbsp;<img style="width: 87px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_07.gif"> , а&nbsp;<img style="width: 105px; height: 23px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_08.gif"> . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub> штока или его диаметр <span style="font-style: italic;">d, мм</span>; площадь A_R цилиндра или его внутренний диаметр <span style="font-style: italic;">D, мм</span>. На рис. 2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (<span style="font-style: italic;">n=1</span>).<br></div><img style="width: 512px; height: 447px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02a.jpg"><br>а) принцип работы газовой пружины<br><img style="width: 513px; height: 351px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02b.jpg"><br>б) влияние конструктивных параметров<br><h4>Рис. 2 Диаграмма усилий газовой пружины</h4><div style="text-align: justify;">Важным параметром пружины является коэффициент усилия <span style="font-style: italic;">X</span>, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением&nbsp;&nbsp;<img style="width: 85px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_09.gif"> или&nbsp;<img style="width: 135px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_10.gif">. Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле&nbsp;<img style="width: 141px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_11.gif"> или&nbsp;<img style="width: 133px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_12.gif">. Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне&nbsp;<img style="width: 93px; height: 21px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_14.gif"> и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br></div><div style="text-align: justify;">Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка <span style="font-style: italic;">B</span> соответствует полностью сжатому газу, точка <span style="font-style: italic;">A</span> - полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки <span style="font-style: italic;">B</span>, усилие выталкивания определяется кривой <span style="font-style: italic;">AB</span> и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (зеленая линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения <span style="font-style: italic;">FR</span>. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 3 нанесены синим и красным цветом. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br></div><div style="text-align: justify;">При динамических замерах (рис. 3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br><img style="width: 463px; height: 276px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03a.jpg"><br></div>а) динамическое измерение силы<br><img style="width: 412px; height: 284px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03b.jpg"><br>б) статическое измерение силы<br><h4><span style="font-size: 12pt; font-family: &quot;Times New Roman&quot;;">Рис. <span style=""><span style="">3</span></span> Методы измерения усилий в газовой пружине</span></h4><div style="text-align: justify;">Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре <span style="font-style: italic;">T₀=20°C</span>. На рис. 4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br><img style="width: 312px; height: 164px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04a.jpg"><br>а) диаграмма усилий при различной температуре<br><img style="width: 496px; height: 438px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04b.jpg"><br>б) изменение усилия при изменении температуры<br><h4>Рис. 4 Влияние температуры на усилия в пружине</h4>Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность - отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br>Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая "простота" имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br><img style="width: 448px; height: 506px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_05.jpg"><br><h4>Рис. 5 Поршень с лабиринтными каналами</h4>При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются.&nbsp; При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6): при выталкивании (рис. 6, а); при вдавливании (рис. 6, б); в обоих направлениях (рис. 6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br><img style="width: 459px; height: 236px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06a.jpg"><br>а) демпфирование при выталкивании<br><img style="width: 454px; height: 179px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06b.jpg"><br>б) демпфирование при вдавливании<br><img style="width: 453px; height: 167px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06c.jpg"><br>в) демпфирование в обоих направлениях<br><h4>Рис. 6 Демпфирование в различных направлениях</h4>Скорость движения штока изменяется в диапазоне от <span style="font-style: italic;">0,01</span> до <span style="font-style: italic;">0,8 м/с</span>. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. <br>Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения.<br>На рис. 7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в уплотнение.<br>Конструкция на рис. 7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br>Газовая пружина на рис. 7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br>Все конструкции&nbsp; могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию.<br>Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 209px; height: 575px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07a.jpg"></td><td><img style="width: 236px; height: 592px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07b.jpg"></td><td><img style="width: 188px; height: 580px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07c.jpg"></td></tr><tr><td>а) одинарное уплотнение</td><td>б) двойное уплотнение</td><td>в) уплотнение с масляной полостью</td></tr><tr><td colspan="3" rowspan="1"><h4>Рис. 7 Конструкция уплотнений газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус. На рис. 8, а показаны различные исполнения конца штока и корпуса, а на рис. 8, б - типы соединительных элементов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 250px; height: 170px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08a.jpg"></td><td><img style="width: 421px; height: 224px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08b.jpg"></td></tr><tr><td>а) исполнения корпуса и штока</td><td>б) соединительные элементы</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 8 Элементы крепления газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 9, а) и динамическое (рис. 9, б)&nbsp; демпфирование.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img src="gspr_image/gspr_img_09a.jpg" alt="" style="width: 380px; height: 211px;"></td><td><img style="width: 380px; height: 279px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_09b.jpg"></td></tr><tr><td>а) гидравлическое демпфирование</td><td>б) динамическое демпфирование</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 9 Демпфирование в конце хода газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 9, а участок <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub> соответствует пневматическому демпфированию, а <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br>Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br>Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины.&nbsp; Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 10).<br>При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br>Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br>Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 242px; height: 709px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10a.jpg"></td><td><img style="width: 240px; height: 754px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10b.jpg"></td></tr><tr><td>а) увеличивающееся усилие</td><td>б) уменьшающееся усилие</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 10 Газовые пружины с непропорциональной характеристикой</h4></td></tr></tbody></table>Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br>Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 11, а) и внутренним (рис. 11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 182px; height: 488px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11a.jpg"><br></td><td><img style="width: 253px; height: 516px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) внешняя фиксация</td><td>б) внутренняя фиксация</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 11 Запорные элементы газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией&nbsp; в конечном положении (рис. 11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке - кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком - все операции проводятся одной рукой.<br>Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой.<br>Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br><img style="width: 490px; height: 448px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_12.jpg"><br><h4>Рис. 12 Газовая пружина с блокировкой</h4>В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br>Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br>Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью - маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень. <br>Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 13, а и рис. 14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 13, б и рис. 14, б).<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 181px; height: 600px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13a.jpg"><br></td><td><img style="width: 171px; height: 598px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 13 Жесткая фиксация, независящая от ориентации пружины</h4></td></tr></tbody></table>При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае - в направлении выталкивания.<br>Максимально допустимая сила, действующая&nbsp; в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br>В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 13, а) это отношение приблизительно <span style="font-style: italic;">4,5</span>; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 13, б) - приблизительно <span style="font-style: italic;">5,5</span>.<br>Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br>Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 7, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 142px; height: 521px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14a.jpg"><br></td><td><img style="width: 151px; height: 510px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 14 Жесткая фиксация, зависящая от положения пружины</h4></td></tr></tbody></table>Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины - блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 15). Их назначение - демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br><img style="width: 513px; height: 540px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_15.jpg"><br><h4>Рис. 15 Блокируемые газовые пружины без выталкивающей силы</h4>Однако, для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка <span style="font-style: italic;">100 Н</span>.<br><img style="width: 509px; height: 539px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_16.jpg"><br><h4>Рис. 16 Компенсация теплового расширения жидкости</h4>В таблице 1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br><h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br>Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины <span style="font-style: italic;">B, мм</span>; длина пружины в сжатом состоянии <span style="font-style: italic;">E, мм</span>; масса поддерживаемого щитка <span style="font-style: italic;">m, кг</span>; плечо силы тяжести от оси вращения <span style="font-style: italic;">L_G, мм</span>; плечо силы газовой пружины от оси вращения <span style="font-style: italic;">L</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span>; число газовых пружин <span style="font-style: italic;">n</span>; коэффициент безопасности <span style="font-style: italic;">k</span> (обычно <span style="font-style: italic;">1,2…1,3</span>). Величина силы выталкивания пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н</span> определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле&nbsp; <img style="width: 100px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_15.gif">. Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины <span style="font-style: italic;">s, мм</span>&nbsp; <img style="width: 64px; height: 19px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_16.gif">.<br><br><img style="width: 204px; height: 245px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_17.jpg"><br><h4>Рис. 17 Расчет усилия пружины</h4>Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это <span style="font-style: italic;">0°C …+80°C</span>, с кратковременным перегревом свыше <span style="font-style: italic;">110°C</span>.<br>При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники.<br>Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, отдельные производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br>Невозможно не обратить внимания на разнообразие конструктивных исполнений такого внешне простого устройства - цилиндра, наполненного газом, в который вставлен шток с поршнем. На мой взгляд, газовые пружины ярко иллюстрируют "узкоспециализированную" эволюцию продукции машиностроения. Модельный ряд удовлетворяет буквально любые запросы заказчика. А ведь в прошлом веке Генри Форд мог позволить себе сказать: <span style="font-style: italic;">"Потребитель имеет право выбирать автомобиль любого цвета, при условии, что он черный"</span>. Несомненно, времена изменились…<br> 5da399e48beab2f68e49140acd807c3437900e4e 9 6 2020-05-07T14:21:52Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki == Газовые пружины == [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др. Самое удачное слово для характеристики применяемости газовых пружин - "везде".<br> На рынке стран СНГ можно встретить продукцию как отечественных, так и зарубежных фирм. Перечислим их в алфавитном порядке: Ace (США), Bansbach (Германия), SKF (Швеция)/Stabilus (Германия), Suspa (Германия). Наши производители нацелены, прежде всего, на удовлетворение потребностей автомобильной промышленности. Их названия: ОАО "Скопинский автоагрегатный завод" (Россия) и "Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь) сами говорят о направленности на этот сегмент рынка. Материалы и каталоги этих фирм использованы при написании данной статьи.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение хода.<br> Газовая пружина (рис.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (<span style="font-style: italic;">N</span><sub style="font-style: italic;">2</sub>); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br></div><br></div><img style="width: 252px; height: 331px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_01.jpg"><br><h4>Рис. 1 Конструкция газовой пружины</h4><div style="text-align: justify;">Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:&nbsp;<img style="width: 177px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_01.gif">, где <span style="font-style: italic;">F, Н</span> - внешняя сила; <span style="font-style: italic;">p, МПа</span> - давление внутри пружины; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">R</sub><span style="font-style: italic;">, мм²</span>&nbsp; - площадь поршня со стороны бесштоковой полости; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span><sup style="font-style: italic;">2</sup>&nbsp; - площадь штока. Следовательно, <img style="width: 64px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_02.gif">. В выдвинутом положении (ход штока s₁) давление газа p₁ и усилие на пружине <img style="width: 69px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_03.gif">. При полностью задвинутом штоке (ход штока <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub>) давление газа p₂ и усилие на пружине&nbsp;&nbsp;<img style="width: 73px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_04.gif">. На рис. 2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением&nbsp; , где <span style="font-style: italic;">V</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда&nbsp; <img style="width: 108px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_06.gif">,&nbsp;<img style="width: 87px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_07.gif"> , а&nbsp;<img style="width: 105px; height: 23px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_08.gif"> . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub> штока или его диаметр <span style="font-style: italic;">d, мм</span>; площадь A_R цилиндра или его внутренний диаметр <span style="font-style: italic;">D, мм</span>. На рис. 2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (<span style="font-style: italic;">n=1</span>).<br></div><img style="width: 512px; height: 447px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02a.jpg"><br>а) принцип работы газовой пружины<br><img style="width: 513px; height: 351px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02b.jpg"><br>б) влияние конструктивных параметров<br><h4>Рис. 2 Диаграмма усилий газовой пружины</h4><div style="text-align: justify;">Важным параметром пружины является коэффициент усилия <span style="font-style: italic;">X</span>, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением&nbsp;&nbsp;<img style="width: 85px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_09.gif"> или&nbsp;<img style="width: 135px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_10.gif">. Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле&nbsp;<img style="width: 141px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_11.gif"> или&nbsp;<img style="width: 133px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_12.gif">. Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне&nbsp;<img style="width: 93px; height: 21px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_14.gif"> и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br></div><div style="text-align: justify;">Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка <span style="font-style: italic;">B</span> соответствует полностью сжатому газу, точка <span style="font-style: italic;">A</span> - полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки <span style="font-style: italic;">B</span>, усилие выталкивания определяется кривой <span style="font-style: italic;">AB</span> и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (зеленая линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения <span style="font-style: italic;">FR</span>. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 3 нанесены синим и красным цветом. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br></div><div style="text-align: justify;">При динамических замерах (рис. 3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br><img style="width: 463px; height: 276px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03a.jpg"><br></div>а) динамическое измерение силы<br><img style="width: 412px; height: 284px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03b.jpg"><br>б) статическое измерение силы<br><h4><span style="font-size: 12pt; font-family: &quot;Times New Roman&quot;;">Рис. <span style=""><span style="">3</span></span> Методы измерения усилий в газовой пружине</span></h4><div style="text-align: justify;">Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре <span style="font-style: italic;">T₀=20°C</span>. На рис. 4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br><img style="width: 312px; height: 164px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04a.jpg"><br>а) диаграмма усилий при различной температуре<br><img style="width: 496px; height: 438px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04b.jpg"><br>б) изменение усилия при изменении температуры<br><h4>Рис. 4 Влияние температуры на усилия в пружине</h4>Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность - отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br>Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая "простота" имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br><img style="width: 448px; height: 506px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_05.jpg"><br><h4>Рис. 5 Поршень с лабиринтными каналами</h4>При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются.&nbsp; При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6): при выталкивании (рис. 6, а); при вдавливании (рис. 6, б); в обоих направлениях (рис. 6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br><img style="width: 459px; height: 236px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06a.jpg"><br>а) демпфирование при выталкивании<br><img style="width: 454px; height: 179px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06b.jpg"><br>б) демпфирование при вдавливании<br><img style="width: 453px; height: 167px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06c.jpg"><br>в) демпфирование в обоих направлениях<br><h4>Рис. 6 Демпфирование в различных направлениях</h4>Скорость движения штока изменяется в диапазоне от <span style="font-style: italic;">0,01</span> до <span style="font-style: italic;">0,8 м/с</span>. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. <br>Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения.<br>На рис. 7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в уплотнение.<br>Конструкция на рис. 7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br>Газовая пружина на рис. 7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br>Все конструкции&nbsp; могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию.<br>Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 209px; height: 575px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07a.jpg"></td><td><img style="width: 236px; height: 592px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07b.jpg"></td><td><img style="width: 188px; height: 580px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07c.jpg"></td></tr><tr><td>а) одинарное уплотнение</td><td>б) двойное уплотнение</td><td>в) уплотнение с масляной полостью</td></tr><tr><td colspan="3" rowspan="1"><h4>Рис. 7 Конструкция уплотнений газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус. На рис. 8, а показаны различные исполнения конца штока и корпуса, а на рис. 8, б - типы соединительных элементов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 250px; height: 170px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08a.jpg"></td><td><img style="width: 421px; height: 224px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08b.jpg"></td></tr><tr><td>а) исполнения корпуса и штока</td><td>б) соединительные элементы</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 8 Элементы крепления газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 9, а) и динамическое (рис. 9, б)&nbsp; демпфирование.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img src="gspr_image/gspr_img_09a.jpg" alt="" style="width: 380px; height: 211px;"></td><td><img style="width: 380px; height: 279px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_09b.jpg"></td></tr><tr><td>а) гидравлическое демпфирование</td><td>б) динамическое демпфирование</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 9 Демпфирование в конце хода газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 9, а участок <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub> соответствует пневматическому демпфированию, а <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br>Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br>Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины.&nbsp; Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 10).<br>При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br>Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br>Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 242px; height: 709px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10a.jpg"></td><td><img style="width: 240px; height: 754px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10b.jpg"></td></tr><tr><td>а) увеличивающееся усилие</td><td>б) уменьшающееся усилие</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 10 Газовые пружины с непропорциональной характеристикой</h4></td></tr></tbody></table>Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br>Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 11, а) и внутренним (рис. 11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 182px; height: 488px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11a.jpg"><br></td><td><img style="width: 253px; height: 516px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) внешняя фиксация</td><td>б) внутренняя фиксация</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 11 Запорные элементы газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией&nbsp; в конечном положении (рис. 11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке - кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком - все операции проводятся одной рукой.<br>Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой.<br>Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br><img style="width: 490px; height: 448px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_12.jpg"><br><h4>Рис. 12 Газовая пружина с блокировкой</h4>В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br>Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br>Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью - маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень. <br>Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 13, а и рис. 14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 13, б и рис. 14, б).<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 181px; height: 600px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13a.jpg"><br></td><td><img style="width: 171px; height: 598px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 13 Жесткая фиксация, независящая от ориентации пружины</h4></td></tr></tbody></table>При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае - в направлении выталкивания.<br>Максимально допустимая сила, действующая&nbsp; в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br>В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 13, а) это отношение приблизительно <span style="font-style: italic;">4,5</span>; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 13, б) - приблизительно <span style="font-style: italic;">5,5</span>.<br>Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br>Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 7, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 142px; height: 521px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14a.jpg"><br></td><td><img style="width: 151px; height: 510px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 14 Жесткая фиксация, зависящая от положения пружины</h4></td></tr></tbody></table>Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины - блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 15). Их назначение - демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br><img style="width: 513px; height: 540px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_15.jpg"><br><h4>Рис. 15 Блокируемые газовые пружины без выталкивающей силы</h4>Однако, для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка <span style="font-style: italic;">100 Н</span>.<br><img style="width: 509px; height: 539px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_16.jpg"><br><h4>Рис. 16 Компенсация теплового расширения жидкости</h4>В таблице 1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br><h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br>Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины <span style="font-style: italic;">B, мм</span>; длина пружины в сжатом состоянии <span style="font-style: italic;">E, мм</span>; масса поддерживаемого щитка <span style="font-style: italic;">m, кг</span>; плечо силы тяжести от оси вращения <span style="font-style: italic;">L_G, мм</span>; плечо силы газовой пружины от оси вращения <span style="font-style: italic;">L</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span>; число газовых пружин <span style="font-style: italic;">n</span>; коэффициент безопасности <span style="font-style: italic;">k</span> (обычно <span style="font-style: italic;">1,2…1,3</span>). Величина силы выталкивания пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н</span> определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле&nbsp; <img style="width: 100px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_15.gif">. Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины <span style="font-style: italic;">s, мм</span>&nbsp; <img style="width: 64px; height: 19px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_16.gif">.<br><br><img style="width: 204px; height: 245px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_17.jpg"><br><h4>Рис. 17 Расчет усилия пружины</h4>Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это <span style="font-style: italic;">0°C …+80°C</span>, с кратковременным перегревом свыше <span style="font-style: italic;">110°C</span>.<br>При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники.<br>Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, отдельные производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br>Невозможно не обратить внимания на разнообразие конструктивных исполнений такого внешне простого устройства - цилиндра, наполненного газом, в который вставлен шток с поршнем. На мой взгляд, газовые пружины ярко иллюстрируют "узкоспециализированную" эволюцию продукции машиностроения. Модельный ряд удовлетворяет буквально любые запросы заказчика. А ведь в прошлом веке Генри Форд мог позволить себе сказать: <span style="font-style: italic;">"Потребитель имеет право выбирать автомобиль любого цвета, при условии, что он черный"</span>. Несомненно, времена изменились…<br> 52f4b0e174d21953a0e681e77942b09d79c432d3 10 9 2020-05-09T19:05:54Z 46.41.67.12 0 wikitext text/x-wiki == Газовые пружины == [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> на основных принципах работы газовой пружины (рис. 2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:&nbsp;<img style="width: 177px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_01.gif">, где <span style="font-style: italic;">F, Н</span> - внешняя сила; <span style="font-style: italic;">p, МПа</span> - давление внутри пружины; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">R</sub><span style="font-style: italic;">, мм²</span>&nbsp; - площадь поршня со стороны бесштоковой полости; <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span><sup style="font-style: italic;">2</sup>&nbsp; - площадь штока. Следовательно, <img style="width: 64px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_02.gif">. В выдвинутом положении (ход штока s₁) давление газа p₁ и усилие на пружине <img style="width: 69px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_03.gif">. При полностью задвинутом штоке (ход штока <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub>) давление газа p₂ и усилие на пружине&nbsp;&nbsp;<img style="width: 73px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_04.gif">. На рис. 2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением&nbsp; , где <span style="font-style: italic;">V</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда&nbsp; <img style="width: 108px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_06.gif">,&nbsp;<img style="width: 87px; height: 24px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_07.gif"> , а&nbsp;<img style="width: 105px; height: 23px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_08.gif"> . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь <span style="font-style: italic;">A</span><sub style="font-style: italic;">K</sub> штока или его диаметр <span style="font-style: italic;">d, мм</span>; площадь A_R цилиндра или его внутренний диаметр <span style="font-style: italic;">D, мм</span>. На рис. 2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (<span style="font-style: italic;">n=1</span>).<br></div><img style="width: 512px; height: 447px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02a.jpg"><br>а) принцип работы газовой пружины<br><img style="width: 513px; height: 351px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_02b.jpg"><br>б) влияние конструктивных параметров<br><h4>Рис. 2 Диаграмма усилий газовой пружины</h4><div style="text-align: justify;">Важным параметром пружины является коэффициент усилия <span style="font-style: italic;">X</span>, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением&nbsp;&nbsp;<img style="width: 85px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_09.gif"> или&nbsp;<img style="width: 135px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_10.gif">. Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле&nbsp;<img style="width: 141px; height: 49px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_11.gif"> или&nbsp;<img style="width: 133px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_12.gif">. Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне&nbsp;<img style="width: 93px; height: 21px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_14.gif"> и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br></div><div style="text-align: justify;">Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка <span style="font-style: italic;">B</span> соответствует полностью сжатому газу, точка <span style="font-style: italic;">A</span> - полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки <span style="font-style: italic;">B</span>, усилие выталкивания определяется кривой <span style="font-style: italic;">AB</span> и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (зеленая линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения <span style="font-style: italic;">FR</span>. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 3 нанесены синим и красным цветом. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br></div><div style="text-align: justify;">При динамических замерах (рис. 3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br><img style="width: 463px; height: 276px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03a.jpg"><br></div>а) динамическое измерение силы<br><img style="width: 412px; height: 284px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_03b.jpg"><br>б) статическое измерение силы<br><h4><span style="font-size: 12pt; font-family: &quot;Times New Roman&quot;;">Рис. <span style=""><span style="">3</span></span> Методы измерения усилий в газовой пружине</span></h4><div style="text-align: justify;">Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре <span style="font-style: italic;">T₀=20°C</span>. На рис. 4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br><img style="width: 312px; height: 164px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04a.jpg"><br>а) диаграмма усилий при различной температуре<br><img style="width: 496px; height: 438px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_04b.jpg"><br>б) изменение усилия при изменении температуры<br><h4>Рис. 4 Влияние температуры на усилия в пружине</h4>Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность - отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br>Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая "простота" имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br><img style="width: 448px; height: 506px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_05.jpg"><br><h4>Рис. 5 Поршень с лабиринтными каналами</h4>При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются.&nbsp; При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6): при выталкивании (рис. 6, а); при вдавливании (рис. 6, б); в обоих направлениях (рис. 6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br><img style="width: 459px; height: 236px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06a.jpg"><br>а) демпфирование при выталкивании<br><img style="width: 454px; height: 179px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06b.jpg"><br>б) демпфирование при вдавливании<br><img style="width: 453px; height: 167px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_06c.jpg"><br>в) демпфирование в обоих направлениях<br><h4>Рис. 6 Демпфирование в различных направлениях</h4>Скорость движения штока изменяется в диапазоне от <span style="font-style: italic;">0,01</span> до <span style="font-style: italic;">0,8 м/с</span>. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. <br>Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения.<br>На рис. 7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в уплотнение.<br>Конструкция на рис. 7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br>Газовая пружина на рис. 7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br>Все конструкции&nbsp; могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию.<br>Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 209px; height: 575px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07a.jpg"></td><td><img style="width: 236px; height: 592px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07b.jpg"></td><td><img style="width: 188px; height: 580px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_07c.jpg"></td></tr><tr><td>а) одинарное уплотнение</td><td>б) двойное уплотнение</td><td>в) уплотнение с масляной полостью</td></tr><tr><td colspan="3" rowspan="1"><h4>Рис. 7 Конструкция уплотнений газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус. На рис. 8, а показаны различные исполнения конца штока и корпуса, а на рис. 8, б - типы соединительных элементов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 250px; height: 170px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08a.jpg"></td><td><img style="width: 421px; height: 224px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_08b.jpg"></td></tr><tr><td>а) исполнения корпуса и штока</td><td>б) соединительные элементы</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 8 Элементы крепления газовых пружин</h4></td></tr></tbody></table>Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 9, а) и динамическое (рис. 9, б)&nbsp; демпфирование.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img src="gspr_image/gspr_img_09a.jpg" alt="" style="width: 380px; height: 211px;"></td><td><img style="width: 380px; height: 279px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_09b.jpg"></td></tr><tr><td>а) гидравлическое демпфирование</td><td>б) динамическое демпфирование</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 9 Демпфирование в конце хода газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 9, а участок <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">2</sub> соответствует пневматическому демпфированию, а <span style="font-style: italic;">s</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> - гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br>Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br>Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины.&nbsp; Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 10).<br>При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br>Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br>Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 242px; height: 709px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10a.jpg"></td><td><img style="width: 240px; height: 754px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_10b.jpg"></td></tr><tr><td>а) увеличивающееся усилие</td><td>б) уменьшающееся усилие</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 10 Газовые пружины с непропорциональной характеристикой</h4></td></tr></tbody></table>Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br>Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 11, а) и внутренним (рис. 11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 182px; height: 488px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11a.jpg"><br></td><td><img style="width: 253px; height: 516px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_11b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) внешняя фиксация</td><td>б) внутренняя фиксация</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 11 Запорные элементы газовой пружины</h4></td></tr></tbody></table>В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией&nbsp; в конечном положении (рис. 11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке - кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком - все операции проводятся одной рукой.<br>Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой.<br>Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br><img style="width: 490px; height: 448px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_12.jpg"><br><h4>Рис. 12 Газовая пружина с блокировкой</h4>В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br>Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br>Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью - маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень. <br>Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 13, а и рис. 14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 13, б и рис. 14, б).<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 181px; height: 600px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13a.jpg"><br></td><td><img style="width: 171px; height: 598px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_13b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 13 Жесткая фиксация, независящая от ориентации пружины</h4></td></tr></tbody></table>При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае - в направлении выталкивания.<br>Максимально допустимая сила, действующая&nbsp; в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br>В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub> и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 13, а) это отношение приблизительно <span style="font-style: italic;">4,5</span>; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 13, б) - приблизительно <span style="font-style: italic;">5,5</span>.<br>Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br>Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 7, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img style="width: 142px; height: 521px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14a.jpg"><br></td><td><img style="width: 151px; height: 510px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_14b.jpg"><br></td></tr><tr><td>а) жесткая фиксация при вдавливании</td><td>б) жесткая фиксация при выталкивании</td></tr><tr><td colspan="2" rowspan="1"><h4>Рис. 14 Жесткая фиксация, зависящая от положения пружины</h4></td></tr></tbody></table>Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины - блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 15). Их назначение - демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br><img style="width: 513px; height: 540px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_15.jpg"><br><h4>Рис. 15 Блокируемые газовые пружины без выталкивающей силы</h4>Однако, для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка <span style="font-style: italic;">100 Н</span>.<br><img style="width: 509px; height: 539px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_16.jpg"><br><h4>Рис. 16 Компенсация теплового расширения жидкости</h4>В таблице 1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br><h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br>Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины <span style="font-style: italic;">B, мм</span>; длина пружины в сжатом состоянии <span style="font-style: italic;">E, мм</span>; масса поддерживаемого щитка <span style="font-style: italic;">m, кг</span>; плечо силы тяжести от оси вращения <span style="font-style: italic;">L_G, мм</span>; плечо силы газовой пружины от оси вращения <span style="font-style: italic;">L</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span>; число газовых пружин <span style="font-style: italic;">n</span>; коэффициент безопасности <span style="font-style: italic;">k</span> (обычно <span style="font-style: italic;">1,2…1,3</span>). Величина силы выталкивания пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н</span> определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле&nbsp; <img style="width: 100px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_15.gif">. Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины <span style="font-style: italic;">s, мм</span>&nbsp; <img style="width: 64px; height: 19px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_16.gif">.<br><br><img style="width: 204px; height: 245px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_17.jpg"><br><h4>Рис. 17 Расчет усилия пружины</h4>Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это <span style="font-style: italic;">0°C …+80°C</span>, с кратковременным перегревом свыше <span style="font-style: italic;">110°C</span>.<br>При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники.<br>Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, отдельные производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br>Невозможно не обратить внимания на разнообразие конструктивных исполнений такого внешне простого устройства - цилиндра, наполненного газом, в который вставлен шток с поршнем. На мой взгляд, газовые пружины ярко иллюстрируют "узкоспециализированную" эволюцию продукции машиностроения. Модельный ряд удовлетворяет буквально любые запросы заказчика. А ведь в прошлом веке Генри Форд мог позволить себе сказать: <span style="font-style: italic;">"Потребитель имеет право выбирать автомобиль любого цвета, при условии, что он черный"</span>. Несомненно, времена изменились…<br> 8582959ff81309b0b653adb6fd3636aa84732422 11 10 2020-05-09T19:11:40Z Mikhail.grankin 30625529 /* Газовые пружины */ wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения. Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно. Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства. <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br>Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины <span style="font-style: italic;">B, мм</span>; длина пружины в сжатом состоянии <span style="font-style: italic;">E, мм</span>; масса поддерживаемого щитка <span style="font-style: italic;">m, кг</span>; плечо силы тяжести от оси вращения <span style="font-style: italic;">L_G, мм</span>; плечо силы газовой пружины от оси вращения <span style="font-style: italic;">L</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span>; число газовых пружин <span style="font-style: italic;">n</span>; коэффициент безопасности <span style="font-style: italic;">k</span> (обычно <span style="font-style: italic;">1,2…1,3</span>). Величина силы выталкивания пружины <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н</span> определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле&nbsp; <img style="width: 100px; height: 45px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_15.gif">. Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины <span style="font-style: italic;">s, мм</span>&nbsp; <img style="width: 64px; height: 19px;" alt="" src="gspr_image/gspr_f_16.gif">.<br><br><img style="width: 204px; height: 245px;" alt="" src="gspr_image/gspr_img_17.jpg"><br><h4>Рис. 17 Расчет усилия пружины</h4>Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это <span style="font-style: italic;">0°C …+80°C</span>, с кратковременным перегревом свыше <span style="font-style: italic;">110°C</span>.<br>При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники.<br>Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, отдельные производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br>Невозможно не обратить внимания на разнообразие конструктивных исполнений такого внешне простого устройства - цилиндра, наполненного газом, в который вставлен шток с поршнем. На мой взгляд, газовые пружины ярко иллюстрируют "узкоспециализированную" эволюцию продукции машиностроения. Модельный ряд удовлетворяет буквально любые запросы заказчика. А ведь в прошлом веке Генри Форд мог позволить себе сказать: <span style="font-style: italic;">"Потребитель имеет право выбирать автомобиль любого цвета, при условии, что он черный"</span>. Несомненно, времена изменились…<br> e6535360636cba0f2b2130d960cdfc374464bcf8 12 11 2020-05-09T19:20:06Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C. При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом. Пример расчета Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила . Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. Использованная литература 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с. 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с. 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c. 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с. 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с. 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия). 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83. a7c8a9ba4d9ad9120400bc1208f2f9a82a33be33 13 12 2020-05-09T19:22:05Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> b6c7466678cb8e475a219d78928f20d4fb6bf1eb 19 13 2020-05-09T19:37:22Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|обрамить|слева|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> b76c79ee1c29bc47165706bfd4ddff6d0f290883 20 19 2020-05-09T19:39:16Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] [[Файл:Img 6 01.jpg|обрамить|слева|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> f9465c04808f666d784b9c70ff29d6416a13fffc 21 20 2020-05-09T19:40:18Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = [[Файл:Gspr img 00.jpg|обрамить|слева|Газовые пружины]] == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|слева|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> afe9412fe8eaf38f2229e3725fd78bda3b6c6b66 22 21 2020-05-09T19:42:33Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины =<br> == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|слева|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> <gallery> Img 6 02_а.jpg|а) принцип работы газовой пружины Img 6 02_б.jpg.jpg|б) влияние конструктивных параметров </gallery> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> 870f8f45be130c4aceda3c5ef6394ee1556261fc 23 22 2020-05-09T19:43:45Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины =<br> == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|слева|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> <gallery> Img 6 02_а.jpg|а) принцип работы газовой пружины Img 6 02_б.jpg|б) влияние конструктивных параметров </gallery> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> 760efaddd5504f7cf62e3e4b191abec37648fb01 25 23 2020-06-06T08:59:28Z 213.27.39.28 0 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> <gallery> Img 6 02_а.jpg|а) принцип работы газовой пружины Img 6 02_б.jpg|б) влияние конструктивных параметров </gallery> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> 820ef6966a54a363ce80916789116a92d01b0fc1 26 25 2020-06-06T09:03:56Z 213.27.39.28 0 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> <gallery> Img 6 02_а.jpg|а) принцип работы газовой пружины Img 6 02_б.jpg|б) влияние конструктивных параметров </gallery> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> d4f84b7852d25ec5b5e763978c816037dcc4df83 27 26 2020-06-06T09:06:10Z 213.27.39.28 0 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img 6 02_а.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Диаграмма усилий газовой пружины а) принцип работы газовой пружины]] <gallery> Img 6 02_а.jpg|а) принцип работы газовой пружины Img 6 02_б.jpg|б) влияние конструктивных параметров </gallery> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> ac9c83e3b058ee783076063b85b841d7e739218a 28 27 2020-06-07T16:15:33Z Mikhail.grankin 30625529 Защитил страницу [[Газовые пружины]] ([Редактирование=Разрешено только администраторам] (бессрочно) [Переименование=Разрешено только администраторам] (бессрочно)) wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img 6 02_а.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Диаграмма усилий газовой пружины а) принцип работы газовой пружины]] <gallery> Img 6 02_а.jpg|а) принцип работы газовой пружины Img 6 02_б.jpg|б) влияние конструктивных параметров </gallery> Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> ac9c83e3b058ee783076063b85b841d7e739218a 29 28 2020-06-07T16:31:15Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img 6 01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img 6 02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img 6 03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> e0df4a9048211046100660d60dc31e005b733dcc 30 29 2020-06-07T16:34:41Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img_6_01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img_6_02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img_6_03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> 1d8722ce4db5f4e67c7fb4d1ed5f4c5878b28fb6 33 30 2020-06-07T16:40:23Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img_6_01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:<math>F+p(AR-AK)-pAR=0</math>, где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img_6_02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img_6_03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> f588187c5ff9cc0f06afb26411356114e438c4d5 34 33 2020-06-07T16:48:27Z Mikhail.grankin 30625529 /* Газовые пружины */ wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img_6_01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:<math>F+p(A_R-A_K)-pA_R=0</math>, где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img_6_02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img_6_03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> b2338db348fb1e20ecda4a6b1f44dc2b39ebfe51 35 34 2020-06-07T16:50:32Z Mikhail.grankin 30625529 /* Общие сведения */ wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img_6_01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:<br> <math>F+p(A_R-A_K)-pA_R=0</math><br> , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img_6_02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img_6_03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> 5ae361cb915824dc454a037e3c4930c32cabdda9 36 35 2020-06-07T16:51:47Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img_6_01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:<br> <math>F+p(A_R-A_K)-pA_R=0</math><br> <math>2\sin x + 4\ln y + 8\operatorname{tg} z</math> {\displaystyle 2\sin x+4\ln y+8\operatorname {tg} z} , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img_6_02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img_6_03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> 942200a26122ff5d7090523d3fb9c7212f4e38bb 38 36 2020-06-07T17:02:04Z Mikhail.grankin 30625529 /* Общие сведения */ wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img_6_01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:''F+p(A_R-A_K)-pA_R=0'' <math>F+p(A_R-A_K)-pA_R=0</math><br> <math>2\sin x + 4\ln y + 8\operatorname{tg} z</math> {\displaystyle 2\sin x+4\ln y+8\operatorname {tg} z} , где F, Н — внешняя сила; p, МПа — давление внутри пружины; AR, мм2 — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; AK, мм2 — площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s1) давление газа p1 и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img_6_02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img_6_03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> 93d11dc6c7458d4244b7a3f65a52181731bb608a 39 38 2020-06-07T17:05:37Z Mikhail.grankin 30625529 /* Общие сведения */ wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img_6_01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:''F+p(A_R-A_K)-pA_R=0'', где ''F, Н'' — внешняя сила; ''p, МПа'' — давление внутри пружины; ''A_R, мм²'' — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; ''A_K, мм²'' — площадь штока. Следовательно, ''F=pA_K''. В выдвинутом положении (ход штока s₁) давление газа p₁ и усилие на пружине ''F=p₁A_K1''. При полностью задвинутом штоке (ход штока s2) давление газа p2 и усилие на пружине . На рис. 5.2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img_6_02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img_6_03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> bdf63217c3c5ac89833bcf10d1c1e00f5d360ba6 40 39 2020-06-07T17:07:01Z Mikhail.grankin 30625529 /* Общие сведения */ wikitext text/x-wiki = Газовые пружины = == Общие сведения == Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др.<br> Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях, так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение рабочего хода.<br> Газовая пружина (рис. 6.1) состоит из следующих частей: корпуса, заполненного азотом (''N₂''); выдвигающегося штока, соединенного с поршнем; поршня, в котором выполнены сопловые отверстия; уплотняющих и направляющих элементов; смазочной камеры. На корпусе и конце штока выполнены присоединительные элементы, которые могут иметь различное исполнение. Азот под давлением исполняет роль источника энергии. В него также добавляют смазочные вещества. Отверстия в поршне обеспечивают равенство давления в двух полостях цилиндра.<br> [[Файл:Img_6_01.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины]] Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 6.2), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил:''F+p(A_R-A_K)-pA_R=0'', где ''F, Н'' — внешняя сила; ''p, МПа'' — давление внутри пружины; ''A_R, мм²'' — площадь поршня со стороны бесштоковой полости; ''A_K, мм²'' — площадь штока. Следовательно, ''F=pA_K''. В выдвинутом положении (ход штока s₁) давление газа p₁ и усилие на пружине ''F=p₁A_K''. При полностью задвинутом штоке (ход штока s₂) давление газа p₂ и усилие на пружине ''F=p₂A_K''. На рис. 6.2 эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением , где V1 — объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда , , а . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь AK штока или его диаметр d, мм; площадь AR цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 6.3 показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).<br> [[Файл:Img_6_02.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.2 Принцип работы газовой пружины]] [[Файл:Img_6_03.jpg|мини|left|frame|Рис. 6.3 Влияние конструктивных параметров на усилие газовой пружины]] Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.<br> Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 6.3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A — полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (штрихпунктирная линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 6.3 нанесены пунктирной и сплошной линиями. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.<br> При динамических замерах (рис. 6.3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 6.3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.<br> Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T0=20°C. На рис. 6.4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.<br> Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность — отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.<br> Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF/Stabilus. При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая «простота» имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 6.5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.<br> При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 6.5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются. При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6.6): при выталкивании (рис. 6.6, а); при вдавливании (рис. 6.6, б); в обоих направлениях (рис. 6.6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.<br> Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше. Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения. На рис. 6.7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 6.7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в него.<br> Конструкция на рис. 6.7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.<br> Газовая пружина на рис. 6.7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.<br> Все конструкции могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию. Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.<br> Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус (рис. 6.8). На рис. 6.8, а изображена шпилька со сферическим концом, установленная в наконечник, а на рис. 6.8, б — наконечник со сферическим шарниром. Использование сферы в креплении газовой пружины компенсирует неточности изготовления. На рис. 6.8, в и г представлены проушины с цилиндрическим отверстием. Компенсация перекосов в нерабочей плоскости возможна только за счет зазоров между отверстием и устанавливаемым штифтом. Газовая пружина может поставляться и с резьбовыми концами (рис. 6.8, д).<br> Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 6.9, а) и динамическое (рис. 6.9, б) демпфирование.<br> При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 6.9, а участок s2 соответствует пневматическому демпфированию, а s1 — гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.<br> Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 6.9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.<br> Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины. Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 6.10). При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 6.10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.<br> Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.<br> Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.<br> Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.<br> Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 6.11, а) и внутренним (рис. 6.11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 6.11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.<br> В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией в конечном положении (рис. 6.11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке — кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком — все операции проводятся одной рукой.<br> Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой. Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 6.12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.<br> В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.<br> Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.<br> Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью — маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.<br> Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 6.13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 6.14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 6.13, а и рис. 6.14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 6.13, б и рис. 6.14, б).<br> При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 6.13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 6.13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 6.13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае — в направлении выталкивания.<br> Максимально допустимая сила, действующая в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.<br> В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F1 и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 6.13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 6.13, б) — приблизительно 5,5.<br> Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 6.14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.<br> Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 6.14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 6.14, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.<br> Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины — блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 6.15). Их назначение — демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.<br> Для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 6.16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.<br> == Технические характеристики == В таблице 6.1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.<br> <h4>Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей</h4><br><table style="text-align: left; width: 700px;" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td style="text-align: center;">Диаметр штока, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Диаметр цилиндра, <span style="font-style: italic;">d</span><sub style="font-style: italic;">2</sub><span style="font-style: italic;">, мм</span></td><td style="text-align: center;">Сила выталкивания, <span style="font-style: italic;">F</span><sub style="font-style: italic;">1</sub><span style="font-style: italic;">, Н&nbsp;</span></td><td style="text-align: center;">Ход поршня, <span style="font-style: italic;">s, мм</span></td><td style="text-align: center;">Коэффициент усилия, <span style="font-style: italic;">X</span></td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">1,3</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">100-800</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">1,35</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">150-1150</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,4</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">500-2100</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">1,5</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">42</td><td style="text-align: center;">2400-5200</td><td style="text-align: center;">105-500</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">&nbsp;Bansbach (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">4</td><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">7-200</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,16</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">10-150</td><td style="text-align: center;">1,11</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300&nbsp;</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">30-700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,22</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">30-700</td><td style="text-align: center;">10-300</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;"> 20-800</td><td style="text-align: center;">1,39</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-800</td><td style="text-align: center;">1,21</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">28&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-1700&nbsp;</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">50-1300</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,08</td></tr><tr><td style="text-align: center;">12</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">100-1700</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,13</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">150-2600</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,18</td></tr><tr><td style="text-align: center;">20</td><td style="text-align: center;">40</td><td style="text-align: center;">200-5000</td><td style="text-align: center;">20-1000</td><td style="text-align: center;">1,45</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Suspa (Германия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15</td><td style="text-align: center;">50-400</td><td style="text-align: center;">20-150</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">18</td><td style="text-align: center;">80-750</td><td style="text-align: center;">60-250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">100-1200</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">200-2000&nbsp;</td><td style="text-align: center;">100-500</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">Ace (США)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">6</td><td style="text-align: center;">15,5</td><td style="text-align: center;">10-400</td><td style="text-align: center;">60-200</td><td style="text-align: center;">1,27</td></tr><tr><td style="text-align: center;">8</td><td style="text-align: center;">19</td><td style="text-align: center;">50-700</td><td style="text-align: center;">100-250</td><td style="text-align: center;">1,33</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">80-1300</td><td style="text-align: center;">100-400</td><td style="text-align: center;">1,38</td></tr><tr><td style="text-align: center;">14</td><td style="text-align: center;">28</td><td style="text-align: center;">100-2500</td><td style="text-align: center;">200-500</td><td style="text-align: center;">1,52</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22&nbsp;</td><td style="text-align: center;">80-1000</td><td style="text-align: center;">100-290</td><td style="text-align: center;">-</td></tr><tr><td colspan="5" rowspan="1" style="text-align: center;">"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)</td></tr><tr><td style="text-align: center;">10</td><td style="text-align: center;">22</td><td style="text-align: center;">110-460</td><td style="text-align: center;">175, 250</td><td style="text-align: center;">-</td></tr></tbody></table><br> == Последовательность расчета == Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 6.17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения LG, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L1, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F1, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм.<br> Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 Наименование параметра SKF/Stabilus Bansbach Suspa Ace Ход пружины, s, мм 500 500 500 500 Усилие выталкивания F1, Н 600 600 600 600 Диаметр цилиндра D, мм 28 28 28 28 Диаметр штока d, мм 14 14 14 14 Вытянутая длина B, мм 1102 1101 1102 1104 == Техническое обслуживание, эксплуатация и монтаж == Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.<br> При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники. Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, многие производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.<br> == Пример расчета == Исходные данные. Определить необходимую силу выталкивания для капота (рис. 6.17) массой m=50 кг. Исходя из конструкции механизма, плечо силы тяжести от оси вращения LG=450 мм, а плечо силы газовой пружины от оси вращения L1=500 мм. Минимальный ход поршня пружины s=480 мм. Число пружин, удерживающих капот n=1. При подъеме капота обслуживающий персонал производит наладку расположенного внутри механизма. Ход расчета и результаты. Принимаем коэффициент безопасности k=1,3, так как при неблагоприятных погодных условиях возможен ущерб здоровью персонала. Тогда выталкивающая сила.<br> Чаще всего можно выбрать необходимую газовую пружину можно приобрести у различных производителей. Рекомендуем результаты подбора свести в таблицу (таблица 6.2) и выбрать оптимальный вариант по критерию цена/качество. == Использованная литература == 1. Каталог фирмы Ace (США). Gas Springs & Hydraulic Dampers, № 200.0030 — 2004, 16 с.<br> 2. Каталог фирмы Bansbach (Германия). Easylift System, DE/04/2005 — 2005, 53 с.<br> 3. Каталог фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). Stabilus gas springs, № 5507E — 2004, 100 c.<br> 4. Каталог фирмы Suspa (Германия). Liftline. The Gas Cylinders. — 2002, 22 с.<br> 5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.<br> 6. http://www.z-saaz.ru, ОАО «Скопинский автоагрегатный завод» (Россия).<br> 7. Гранкин М.Г. Газовые пружины. — Мир техники и технологий, Харьков, №4(53), 2006, с. 79 – 83.<br> 6ce095e4463a227a5294e34433c43aa6c651e8ee 6 3 4 2020-05-07T14:12:05Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki da39a3ee5e6b4b0d3255bfef95601890afd80709 6 4 5 2020-05-07T14:12:56Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki da39a3ee5e6b4b0d3255bfef95601890afd80709 6 5 14 2020-05-09T19:31:59Z Mikhail.grankin 30625529 Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины wikitext text/x-wiki == Краткое описание == Рис. 6.1 Конструкция газовой пружины c5ddd20014a2a52a3954301468cefd9833f2ba5f 6 6 15 2020-05-09T19:32:33Z Mikhail.grankin 30625529 а) принцип работы газовой пружины wikitext text/x-wiki == Краткое описание == а) принцип работы газовой пружины 172b262d208327a7df339fbac2983b0f765b9b22 6 7 16 2020-05-09T19:32:59Z Mikhail.grankin 30625529 б) влияние конструктивных параметров wikitext text/x-wiki == Краткое описание == б) влияние конструктивных параметров 520f1beb95ed585f5a441646a94726b5fb24ffbc 6 8 31 2020-06-07T16:35:14Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki da39a3ee5e6b4b0d3255bfef95601890afd80709 6 9 32 2020-06-07T16:35:48Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki da39a3ee5e6b4b0d3255bfef95601890afd80709 6 10 37 2020-06-07T17:00:19Z Mikhail.grankin 30625529 wikitext text/x-wiki da39a3ee5e6b4b0d3255bfef95601890afd80709